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Batteries lithium-ion et lithium-polymère: astuces marketing et erreurs courantes

Je rencontre à plusieurs reprises des articles et des commentaires (dans des articles néanmoins beaucoup moins souvent) en utilisant des données ou des noms incorrects, qui sont ensuite donnés comme arguments, bien qu'en fait ils soient erronés au départ. Et ces erreurs se propagent sur toutes les ressources, y compris les Giktayms.

Avec cet article, je voudrais clarifier certains points et mener une sorte de programme éducatif.

Piles au lithium polymère


Immédiatement de l'essentiel - dans le domaine public, il n'y a pas de batteries lithium-polymère au sens technique du terme. Dans le monde anglophone, nous avons déjà traité de cela, mais dans l'espace post-soviétique, il y a des coûts de terminologie que les spécialistes du marketing utilisent. Une petite digression n'est pas que cela n'est pas utilisé dans d'autres régions, mais au moins il y a la possibilité de vérifier ces informations dans votre langue maternelle.

Un peu d'histoire


Toute batterie lithium-ion a 4 composants principaux - deux électrodes (anode et cathode), un électrolyte et un séparateur. Les 4 éléments ont évolué et se développent encore. Pour l'électrolyte au début de la recherche (années 1970), deux options ont été proposées - l'électrolyte liquide ou solide. À cette époque, l'électrolyte solide promettait plus de perspectives de fonctionnement - l'électrolyte ne fuit pas lorsque le boîtier est endommagé, la cellule elle-même est plus durable. Le principal inconvénient était et reste la haute résistance de l'électrolyte solide, il nie les caractéristiques physiques.

En fait, une diminution de la quantité de ressources allouées par les entreprises au développement des électrolytes solides s'est produite au début des années 1990, lorsque Sony a introduit sur le marché la batterie à électrolyte liquide. Sony en 1988 était confiant dans le succès futur de l'électrolyte solide.

Malgré l'accent mis sur les électrolytes liquides, les entreprises n'ont cessé de chercher des alternatives. Une option était les soi-disant électrolytes hybrides. En fait, ils utilisent un séparateur à petits trous et le même électrolyte liquide. Bien qu'il soit sec au toucher, en fait, la quantité d'électrolyte qu'il contient ne diffère pas de celle d'une batterie conventionnelle. Comme dans le principe et la conception:


modèle schématique d'une batterie lithium-ion avec une cathode LiCoO 2 et une anode en graphite de Wikipedia en allemand.

De telles batteries sont assez courantes, leur distribution commerciale a commencé au début des années 2000, mais physiquement et chimiquement ce sont les mêmes batteries lithium-ion à électrolyte liquide et en général il n'y en a pas beaucoup.

Qu'est-ce qui est présenté sur le marché?


Une façon de classer une batterie est son corps. Aujourd'hui, il existe trois méthodes d'emballage populaires:
  • Cellules cylindriques
  • Cellules prismatiques
  • Sac ou pochette

Le premier type de batterie est connu pour son utilisation dans les ordinateurs portables et les voitures Tesla (il utilise sa taille la plus courante 18650).

Le deuxième type est une forme cylindrique modifiée. Boîtier en aluminium, rectangle ou carré en coupe transversale. Il est populaire pour une utilisation stationnaire et dans les transports.

Le troisième type a un étui souple et n'est pas toujours équipé d'un système de protection intégré. En fait, une version moins chère de la cellule prismatique. Ce type de batterie est notamment utilisé dans les téléphones portables.

Les derniers sur la liste sont les mêmes «polymères». Ils sont ainsi appelés pour plusieurs raisons. Le moyen le plus arrogant pour les commerçants est un boîtier en polymères, c'est pourquoi ils sont «polymères».

La deuxième option est l'utilisation d'un séparateur en polymère finement poreux. En fait, pas différent d'une batterie lithium-ion conventionnelle.

La troisième option que je n'ai pas rencontrée est de donner le nom de «polymère» basé sur l'utilisation d'éléments polymères comme base pour les cathodes, les anodes et d'autres éléments. En règle générale, il pénètre dans de nombreuses batteries dans un boîtier en plastique.

Problèmes de terminologie


Lors de l'élaboration du concept, l'idée était telle que le terme «électrolyte liquide» était compris comme signifiant une solution liquide ou de type gel de sel de lithium, tandis que le terme «électrolyte solide» était l'état solide d'une substance. Puisqu'il y avait un désir de vendre ce qui avait été promis mais ce qui ne l'est pas, même aujourd'hui parmi les chercheurs, l'électrolyte en gel est inclus dans la liste des électrolytes «solides», bien que ses caractéristiques soient encore plus probablement hybrides. Par conséquent, on peut trouver une description dans les articles scientifiques «électrolyte en gel solide», qui est considéré comme trompeur par certains scientifiques.

L'avenir des électrolytes polymères


Des développements sont en cours et à l'avenir, des batteries avec un véritable électrolyte polymère pourraient apparaître. Cependant, à partir de 2015, les échantillons de laboratoire d'électrolytes polymères basés sur la chimie organique n'ont pas montré de progrès tangibles, car à la date de publication de l'article dans un avenir prévisible, il n'y aura pas d'écart massif avec l'électrolyte liquide.

Problèmes avec le type de batterie


Il existe plusieurs types de batteries lithium-ion sur le marché. Ils ont des noms variés qui permettent de décrire leurs caractéristiques en termes de capacité ou de sécurité. En général, les types suivants peuvent être trouvés:

  • Lithium cobalt avec une cathode LiCoO 2 - les modèles les plus spacieux ont une anode en graphite.
  • -- LiMn2O4, Li2MnO3 LMnO, -
  • ---- NMC LiNiMnCoO2
  • -- LiFePO4 (LFP)
  • ---- (NCA) LiNiCoAlO2
  • -- (LTO) Li4Ti5O12

Vous pouvez immédiatement remarquer l'inégalité des noms. Certains sont nommés d'après la cathode, certains sont nommés d'après l'anode. Et si dans le premier cas on peut encore essayer de deviner avec une forte probabilité que l'anode soit en graphite, alors dans le cas d'un nom par l'anode, on ne peut que deviner. De plus, le développement est en cours aujourd'hui et, en principe, vous pouvez trouver une batterie sur le marché avec une cathode LiFePO 4 et une anode Li 4 Ti 5 O 12 , c'est-à-dire lithium-fer-phosphate lithium-titanate, qui dans ce système n'ont pas de nom commercial simple Link - un article scientifique en 2013 avec des tests d'une telle batterie .

La raison de l'existence d'un si grand nombre de cathodes et d'anodes de batteries réside dans diverses exigences de batteries. Quelque part, plus de sécurité est nécessaire, et quelque part, la capacité ou la puissance. Vous pouvez avoir une idée de l'énergie stockée sur la base que chaque type de cathode et d'anode a un potentiel différent, comme le montrent les images ci-dessous (le potentiel du lithium métal est sélectionné comme un potentiel de 0 V, la différence de tension est plus grande - la puissance est plus grande, la densité d'énergie dépend du nombre d'atomes lithium):


Schéma général avec des potentiels de l'Université de Kiel.


Matériel source d'un article de 2013 de Jiantie Xu, Shixue Dou, et al. Source


Une autre image de la Purdue School of Engineering and Technology. Source

L'image approximative suivante de la connexion entre les potentiels des cellules et la possibilité de métallisation du lithium à une décharge très faible ou une instabilité thermique pendant la surcharge peut donner une idée générale des raisons:


Images tirées du cours magistral

Le fonctionnement le plus dangereux sur le marché est le lithium-cobalt avec une anode en graphite, les plus sûrs sont avec la cathode LiFePO 4 et l'anode Li 4 Ti 5 O 12 . Naturellement, la présence d'un BMS (Battery Management System) réduit les risques, mais il ne faut pas les négliger; le système ne peut pas empêcher la même décharge trop forte, ce qui est critique pour les batteries à anode graphite.

Erreurs courantes


Erreurs courantes


L'erreur la plus courante et la plus fréquemment rencontrée est l'opposition à la «batterie lithium-ion ordinaire». Comme vous pouvez le voir ci-dessus, il n'y a tout simplement pas une chose «normale». Et la différence de tension peut être très différente pour apparemment les mêmes cathodes et la même pour différents ensembles de cathodes et d'anodes.

La deuxième erreur, moins importante, associée au paragraphe précédent, l'écriture du matériau de la cathode LiFePO 4 comme suit - LiFeP o 4 . Ici, la confusion est assez courante et montre immédiatement comment vous pouvez faire confiance à une telle source.

Une autre erreur majeure est l'opposition d'une batterie LiPo à une batterie lithium-ion. Voici quelques options de comparaison. La première est d'ordre général, liée à l'idée fausse sur l'existence de batteries à électrolyte polymère sur le marché. La seconde, qui a une application plus étroite, qui est généralement exprimée comme suit: "une batterie au lithium-polymère [discours sur l'affaire] est meilleure / pire que la LFP / LTO / NCA (remplacez la nécessaire)."

Il y a un mélange de type de corps et de remplissage.

Par exemple, ici, vous pouvez lire sur la batterie LFP au format lithium-polymère (cas prismatique dans ce cas).

La batterie A est plus longue que la batterie B


Ceci est une autre torsion particulière des faits pour l'argumentation lors de la vente. Cette méthode est utilisée pour différents types de batteries, mais le plus souvent la version LFP de la batterie est comparée à un lithium-cobalt ou NMC avec une cathode en graphite. Dans les articles sur Internet, à la fois publicitaires et simplement populaires, vous pouvez trouver le rapport des cycles équivalents complets en 2000 à 500 en faveur de la LFP et, par conséquent - une histoire sur la supériorité significative du premier.

Il y a plusieurs inexactitudes. Premièrement, le plus grand nombre d'articles sur le lithium-cobalt date de 2005-2006, alors que pour le LFP de 2012-2013. Les données de cycle sont basées sur ces articles. Néanmoins, le développement ne s'est pas arrêté et était également actif pour tous les types de batteries, et l'écart n'était pas si grand au même intervalle de temps. Deuxièmement, la quantité d'énergie que la batterie transmettra pendant sa durée de vie n'est pas spécifiée, mais avec des tailles égales, le LFP a une capacité inférieure.
Quant au principal avantage - un plus grand nombre de cycles, si nous prenons de nouvelles recherches et comparons des échantillons en série dans des conditions égales, la différence n'est pas si dramatique. Au total, c'est 20-30% (800 cycles contre 1000 pour 40 ° C, par exemple), ce qui ne justifie pas toujours l'achat du même LFP, car moins d'énergie sera transférée en raison de la plus petite différence de tension sur l'ensemble du cycle de vie.

Il n'y a pas de sources de comparaison directe, car le processus de test lui-même est long et coûteux, compliqué par des accords sur la non-divulgation des noms des participants, mais en comparant à partir d'un certain nombre de données, nous pouvons conclure qu'il existe aujourd'hui des caractéristiques similaires pour toutes les batteries lithium-ion en termes d'autonomie dans tous les scénarios possibles, dont et un stockage facile. Ces données sont données, par exemple, dans les sources 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 .

Autres sources


BU-206: Lithium-polymère: substance ou battage médiatique?

Kazuo Murata, Shuichi Izuchi, Youetsu Yoshihisa "Un aperçu de la recherche et du développement des batteries à électrolyte polymère solide"

A. Manuel Stephan, KS Nahm "Examen des électrolytes polymères composites pour batteries au lithium. Polymer "

D. Golodnitskya, E. Straussc, E. Peleda et S. Greenbaum " Review - On Order and Disorder in Polymer Electrolytes "

Mon article précédent sur les batteries lithium-ion - Fonctionnement des batteries lithium-ion

Source: https://habr.com/ru/post/fr397705/

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